§ 41. Вес воздуха. Атмосферное давление

пар, воздух и sphaira — шар) — протяженная газовая (воздушная) оболочка, окружающая планету Земля и вращающаяся вместе с ней, удерживаемая силой земного гравитационного притяжения.

• 1. Химический состав сухого атмосферного воздуха — смесь газов: молекулярный азот ($N_2 \approx 78{,}08\% \approx 77{,}1\%$ по массе), молекулярный кислород ($O_2 \approx 20{,}95\% \approx 21\%$), благородный газ аргон ($Ar \approx 0{,}93\%$), углекислый газ ($CO_2 \approx 0{,}04\%$), а также микропримеси неона, гелия, метана, криптона и водяного пара.
• 2. Молекулярно-кинетическое равновесие атмосферы — устойчивое динамическое состояние атмосферы обусловлено противоборством двух факторов: непрерывное хаотическое тепловое движение со скоростями в сотни метров в секунду стремится рассеять молекулы газов по всей Вселенной, однако сила гравитационного притяжения Земли удерживает молекулы в околоземном пространстве, не позволяя им оторваться в открытый космос и в то же время не давая упасть на поверхность в виде тонкого плотного слоя.

механическая сила, с которой воздух вследствие гравитационного притяжения к Земле действует на горизонтальную опору или подвес:

• 1. Плотность и масса воздуха — в нормальных физических условиях (при температуре $0^\circ\text{C}$ и давлении $101\,300\text{ Па}$) плотность сухого воздуха составляет $\rho_{\text{возд}} \approx 1{,}29\text{ кг/м}^3$; соответственно, масса одного кубического метра воздуха равна $m = 1{,}29\text{ кг}$, а его вес составляет $P = mg \approx 1{,}29\text{ кг} \cdot 9{,}8\text{ Н/кг} \approx 12{,}6\text{ Н} \approx 13\text{ Н}$.
• 2. Экспериментальное взвешивание воздуха (опыт с шаром, рис. 127) — прочный стеклянный сосуд с пробкой и трубкой с зажимом взвешивают на чувствительных весах после предварительной откачки воздуха насосом, затем зажим открывают, воздух со свистом заполняет объем шара, и чаша весов резко перевешивает, наглядно доказывая наличие массы и веса у воздуха.

механическое давление, создаваемое всей толщей воздушной оболочки Земли на земную поверхность и на все находящиеся в ней тела вследствие действия силы тяжести и закона Паскаля.

• 1. Причина возникновения — верхние слои воздуха под действием силы тяжести давят на нижележащие слои; слой воздуха непосредственно у поверхности Земли сжат сильнее всего, обладает максимальной плотностью и в соответствии с законом Паскаля передает производимое на него давление по всем направлениям без изменения.
• 2. Неоднородность распределения по высоте — плотность и давление воздуха не являются постоянными величинами, а непрерывно и нелинейно убывают по мере удаления от поверхности Земли; у атмосферы нет резкой границы, она плавно переходит в безвоздушное космическое пространство.

классические опыты, демонстрирующие колоссальную сжимающую силу внешней воздушной среды при создании внутреннего разрежения:

• 1. Сминание тонкостенной пластиковой бутылки — при откачивании ртом части воздуха из открытой пластиковой емкости внутреннее давление падает, и избыточное внешнее атмосферное давление со щелканьем и треском сминает бутылку; при впуске воздуха форма восстанавливается.
• 2. Опыт со шприцем с закрытым штуцером — при попытке вытянуть поршень из цилиндра с герметично зажатым входным отверстием приходится преодолевать противодействие атмосферного давления; при отпускании поршень стремительно втягивается обратно внутрь наружным воздухом.
• 3. Подъем воды вслед за поршнем (рис. 128) — при выдвижении поршня из цилиндра, опущенного в воду, между поршнем и водой создается разреженная область (давление меньше атмосферного), и атмосферное давление, действующее на открытую поверхность воды в сосуде, вгоняет столб жидкости вверх вслед за поршнем.

гидростатическое устройство непрерывного дозирования воды (рис. 129), основанное на компенсации гидростатического напора внешним атмосферным давлением:

• 1. Принцип механического равновесия — пока открытое горлышко опрокинутой бутылки погружено в слой воды в поддоне, внешнее атмосферное давление удерживает столб воды в бутылке (давление наружного воздуха уравновешивает сумму давления остаточного воздуха и гидростатического давления столба жидкости в сосуде).
• 2. Цикл автоподлива — когда птица отпивает воду и уровень в поилке падает ниже кромки горлышка, внутрь сосуда прорывается пузырек наружного воздуха, давление над водой возрастает, и порция жидкости выливается в поддон до тех пор, пока срез горлышка вновь не окажется перекрыт водой.

Атмосфера (от греческих слов atmos — пар, воздух и sphaira — шар) — это воздушная (газовая) оболочка, окружающая планету Земля и простирающаяся в высоту на сотни километров.

• Атмосфера представляет собой механическую смесь различных газов (преимущественно азота $\approx 78\%$ и кислорода $\approx 21\%$, а также аргона, углекислого газа и паров воды), удерживаемую гравитационным полем Земли и совершающую суточное вращение вместе с земным шаром.

Состояние земной атмосферы поддерживается благодаря динамическому балансу двух противоположных физических факторов:

• Почему молекулы не улетают в космос: каждая молекула газа обладает массой и непрерывно притягивается к Земле силой гравитации. Чтобы навсегда покинуть гравитационное поле Земли и уйти в открытый космос, молекула должна развить вторую космическую скорость ($v_{\text{II}} \approx 11{,}2\text{ км/с}$). При обычных земных температурах средняя скорость хаотического теплового движения молекул кислорода и азота составляет около $400\text{–}500\text{ м/с}$, что в десятки раз меньше скорости освобождения. Поэтому сила тяжести надежно удерживает колоссальную массу газов в околоземном пространстве.
• Почему молекулы не падают на поверхность Земли: молекулы газа не покоятся, а находятся в состоянии непрерывного, хаотического (теплового) движения с частыми упругими столкновениями друг с другом. Это движение непрерывно расталкивает молекулы во всех направлениях и стремится рассеять их по возможно большему объему. В результате молекулы беспрерывно взлетают вверх после соударений, формируя устойчивую многокилометровую газовую оболочку, плотность которой плавно убывает с высотой.

Главными причинами существования атмосферного давления являются вес воздуха (действие силы тяжести Земли) и закон Паскаля:

• Гравитационное сжатие: воздух обладает массой и весом. Вся толща воздушной оболочки притягивается к Земле, поэтому вышележащие слои атмосферы своим весом непрерывно сжимают нижележащие слои.
• Передача давления по закону Паскаля: слой воздуха, непосредственно прилегающий к поверхности Земли, сжат сильнее всего и обладает максимальной плотностью. В силу подвижности молекул газа и согласно фундаментальному закону Паскаля, это механическое давление передается во всех направлениях абсолютно одинаково — не только сверху вниз, но и в стороны, и снизу вверх.
• Результат: вся земная поверхность и любые погруженные в воздушный океан тела испытывают всестороннее силовое давление всей толщи вышележащего атмосферного столба.

Существование атмосферного давления наглядно доказывается серией классических физических опытов:

• Опыт со сдавливанием бутылки: если взять тонкостенную пластиковую бутылку без пробки и откачать ртом часть воздуха из нее, внешнее атмосферное давление, оставшись неизменным, с силой сожмет и деформирует корпус бутылки.
• Опыт со шприцем (поршнем): если плотно закрыть пальцем носик шприца и оттянуть поршень, то при отпускании поршень с ускорением втягивается обратно внутрь цилиндра под действием внешней силы атмосферного давления.
• Опыт со стаканом и листом бумаги (рис. 134): стакан, доверху наполненный водой и накрытый листом плотной бумаги, переворачивают вверх дном — бумага не отпадает, и вода не выливается, так как внешнее атмосферное давление, действующее на бумагу снизу вверх, значительно превышает гидростатическое давление воды в стакане.
• Подъем жидкости вслед за поршнем (рис. 128): при подъеме поршня насоса атмосферное давление на открытую свободную поверхность жидкости в резервуаре вдавливает воду в образующееся безвоздушное пространство.
• Опыт с фонтаном в разряженном сосуде (рис. 130): из стеклянной колбы откачивают воздух насосом и погружают трубку с краном в сосуд с водой; при открытии крана атмосферное давление с силой вгоняет воду в колбу в виде бьющего фонтана.

Да, плотность атмосферы существенно зависит от высоты над поверхностью Земли: с увеличением высоты плотность воздуха непрерывно и закономерно уменьшается (воздух становится всё более разреженным).

Физическое объяснение:

• Различие весовой нагрузки: нижние слои атмосферы испытывают колоссальное давление всей вышележащей массы многокилометрового столба воздуха, поэтому молекулы вблизи уровня моря сжаты наиболее плотно (плотность максимальна и составляет около $1{,}29\text{ кг/м}^3$).
• Уменьшение сжимающего столба: по мере подъема в горы или на летательном аппарате масса вышележащего столба воздуха над наблюдателем непрерывно уменьшается. Соответственно, уменьшается сдавливающее атмосферное давление, расстояния между молекулами газов возрастают, и плотность воздуха падает.

Привычный биологический процесс питья (как человеком, так и животными) основан строго на действии атмосферного давления и создании гравитационно-пневматического перепада давлений:

• Механизм питья через соломинку или из стакана: делая глоток, человек движением языка, щек и мышц грудной клетки расширяет объем ротовой полости. При этом давление воздуха во рту падает и становится существенно ниже наружного атмосферного давления ($p_{\text{рот}} < p_{\text{атм}}$).
• Вталкивание жидкости: наружное атмосферное давление, действующее на открытую свободную поверхность напитка в чашке или стакане, оказывается больше внутреннего давления во рту и непрерывно вдавливает жидкость по соломинке прямо в ротовую полость.
• Вывод: без атмосферного давления (например, в открытом космическом вакууме) пить жидкость традиционным способом невозможно, так как жидкость не будет подниматься в полость рта.